能馈型电子负载的设计.doc

哈尔滨工业大学学士学位论文中期报告姓 名 胡浩 班 级 1002302 导 师 李军远 论 文 题 目能馈型电子负载的设计中期报告日期 2014.5.10 - 1 -1开题报告中课题总体进度安排如下：2013.12.12-2013.12.27: 信息收集；2013.12.28-2014.1.4: 阅读、整理收集的资料；2014.1.5-2014.3.22: 准备撰写开题报告，制作PPT；2014.3.22-2014.4.5: 完成系统中主电路的设计；2014.4.5-2014.4.20: 完成系统中控制策略的基本设计；2014.4.21-2014.4.30: 完成外围电路的设计；2014.5.1-2014.5.3: 进行系统仿真与调试；2014.5.4-2014.6.1: 根据仿真结果对系统进行修改；2014.6.4-2014.6.17: 准备毕业论文；2014.6.18-2014.6.23: 修改论文，准备答辩；2014.6.26-2014.6.27: 提交论文等材料。 现在是2014.5.10 我现在进度应该如上文所述到仿真与调试阶段，实际上我的总体进度正是在仿真与调试阶段，完成我初期对于设计工作的预期进度。2目前已完成的研究工作及结果正如开题报告中的系统整体方案的设计，将能馈型电子负载的设计大致分为两个部分图 2-1 电子负载工作原理图 第一部分为负载模拟部分，第二部分为能量回馈部分。进而细分，第一部分可分为主电路的设计和控制部分的设计，第二部分也可以分为主电路的设计以及控制部分的设计。这样我的整体的方案为了四个小部分。其中我将两个电路设计的部分整合到一起，就形成了最后三个部分。2.1 主电路的设计本文电子负载的设计是针对于太阳能电源设计的，光伏电池的单体电压通常都很低，仅为0.4V0.6V左右，使用时需对其进行串联升压,常见太阳能电池组件是串联36/48/72/96片，即组件的电压通常在18/24/36/48V 左右。我选取了针对48V电源的电子负载的设计，如欲将测试用的电能回馈至220V交流电网，则需控制直流母线电压值大于电网电压的峰值通常是将直流母线电压升至400V左右。这就必然需要一个升压电路以满足逆变需要。所以主电路的基本设计是：图 2-2 能馈型直流电子负载系统基本框图传统的Boost变换器尽管在理论上可以无限升压，但是在实际应用中其升压比却受各种寄生因素的影响而无法达到很高，通常仅为四到五倍左右。根据以上分析，本文拟在系统的负载模拟部分采用具有宽调压特性的高升压比 DC/DC变换器。在经过对于一些升压电路的学习，例如：Boost升压电路，Double-Boost变换器，单管级联型Boost变换器等，最终选择单管级联型Boost变换器作为本设计中的升压电路。图 2-3 单管级联型BOOST变换器的电路图并对其中原件的参数进行了设计与计算。对于逆变电路选择了易于控制的电压型单相全桥逆变电路，最后通过LCL滤波器链接到220V的交流电网中。其中对LCL滤波器进行了建模分析：图 2-4 LCL滤波器频域等效电路图得其传递函数为： （2-1）2.2负载控制环节的设计 由上面的分析可知,负载模拟部分采用的升压变换器之后，为了实现模拟真实负载的功能,需为其设计电流跟踪控制器。负载模拟部分的单管级联Boost 变换器的输入电流进行闭环控制框图如图2-5所示，图 2-5 负载模拟部分单管级联 Boost 变换器的电流闭环控制框图其中，为设计的补偿网络的传递函数，为 PWM 脉宽调制器传递函数，为单管级联型变换器的占空比至输入电流传递函数。其中，取，。并对其做出了simulink的仿真，如下图：图 2-6 负载模拟部分仿真图2.3 并网逆变控制环节的设计并网逆变部分的控制目标是：1）控制直流母线电压稳定在400V，以保证系统的功率平衡和并网逆变的顺利进行。2）控制并网电流与电网电压的相位和频率相同，保证将测试所用的电能以单位功率因数馈送到电网中，最大限度的回收利用电能。在多次的尝试之后，我对并网逆变部分控制策略的选择，采用电压电流双闭环的控制方式，即直流母线电压外环和并网电流内环，其中内环采用滞环电流控制。图 2-7 滞环电流控制基本原理图此外，PID控制器因其原理简单、适用性强、对被控对象参数变化不敏感等优点而广泛的应用在了工业控制系统当中。其中PI控制的作用是增大低频增益和提高系统的稳态精度，在本文中电压外环选择 PI控制就可使控制系统满足指标的要求。根据文献了解，滞环电流控制，因其本身是一种典型的非线性控制方法，不具有完备的线性小信号模型支持，通常采用描述函数法进行分析，仅考虑其基波分量，又因此处内电流环对电流指令的跟踪速度远快于瞬时外电压环对波形的跟踪速度，所以在低频小信号下，为简化电压环设计，可将电流环等效为一个比例环节，则简化后的电压环等效结构如图 2-8 所图 2-8 简化后电压环等效结构图对其的反馈部分simulink仿真如下图：图 2-9 电能反馈部分仿真图2.4 整体仿真 整体仿真图如下：图 2-10 整体仿真图 2-11 负载电流图 2-12 直流侧电压图 2-13 电流反馈电网图3后期拟完成的研究工作及进度安排2014.5.4-2014.6.1: 根据仿真结果对系统进行修改；2014.6.4-2014.6.17: 准备毕业论文；2014.6.18-2014.6.23: 修改论文，准备答辩；2014.6.26-2014.6.2